EP1600422A1 - Process for the preparation of molecular hydrogen and polyaluminium chloride - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a process for the production of molecular Hydrogen with simultaneous formation of polyaluminum chloride, a Method for operating a fuel cell and a device for the Generating electrical energy comprising a fuel cell.
- Molecular hydrogen is used in a variety of chemical processes, For example, as a starting material, reducing agent, hydrogenating agent or the like., Or as Fuel, for example. In fuel cells used.
- Known method for the production of molecular hydrogen can be divided into two groups, namely, on the one hand the chemical conversion of primary hydrogen-containing Energy sources, such as methane, coal, refinery products and the like., In reforming process and second, the electrolytic production of hydrogen of water.
- primary hydrogen-containing Energy sources such as methane, coal, refinery products and the like.
- reforming process and second the electrolytic production of hydrogen of water.
- all of the aforementioned methods are, in particular as far as the production of high purity hydrogen is concerned, consuming and costly.
- Object of the present invention is therefore to provide an alternative method for Production of molecular hydrogen to provide, in particular the cost-effective production of high purity hydrogen allows.
- molecular hydrogen with a satisfactory yield and high purity by dissolving metallic aluminum and / or an aluminum alloy in an aqueous aluminum chloride solution, the yield to hydrogen, based on the amount of aluminum used of the process parameters is 80 to 98%. Due to the high purity The generated molecular hydrogen can be a subsequent costly Purification as known in the art Reforming process is mandatory, be waived. Only when carrying out the process according to the invention at elevated temperatures the generated hydrogen is contaminated with traces of water vapor, However, in a simple manner, for example. In a condensation chamber, of the molecular hydrogen can be separated. The generated hydrogen can subsequently be used for energy generation, for example in combination with fuel cells, be used.
- polyaluminum chloride solution in addition to molecular hydrogen, which is sufficiently pure to be used in papermaking or water preparation to be used.
- polyaluminium chloride has been either by pressure digestion of aluminum hydroxide by means of hydrochloric acid in one Autoclave or by anodic dissolution of metallic aluminum produced in electrolysis cells. Both methods, however, are due to the the pressure digestion or the electrolysis conditional high operating costs costly. Apart from a cost-effective production of high-purity molecular hydrogen allows the process of the invention hence also one compared to those known in the art Process more cost-effective production of polyaluminum chloride.
- Another Advantage of the method lies in its flexibility, which The reason for this is that the amount of hydrogen produced depends solely on the amount and the reactivity of the aluminum used depends. That's it possible, the amount of hydrogen to be generated as needed in the range of a few milliliters per hour up to several thousand cubic meters per hour adjust.
- Aluminum alloys and / or aluminum in all degrees of purity eg in Shavings, films or the like., Can be used. Especially good results however, are obtained when metallic aluminum with a degree of purity from 98 to 99.99% and / or an aluminum alloy at 0.01 to 1 g / kg Aluminum in metals selected from among copper, iron, silicon, manganese, Magnesium, nickel, zinc and combinations thereof is used.
- the metallic aluminum and / or the aluminum alloy prior to insertion into the aqueous aluminum chloride solution a chemical and / or electrochemical Subjected to etching process to roughen its surface.
- the surface of the in the aqueous aluminum chloride solution introduced aluminum or aluminum alloy tunnel structures with a diameter of less than 2 microns, and most preferred less than 100 nm.
- aluminum or an aluminum alloy with a smooth or slightly roughened Surface to use.
- the metallic aluminum and / or the aluminum alloy the introduction into the aqueous aluminum chloride solution with an inert gas atmosphere, For example, nitrogen, argon or the like., Rinsed.
- an inert gas atmosphere For example, nitrogen, argon or the like., Rinsed.
- aqueous aluminum chloride solution has a content of aluminum chloride of 1 to 400 g / l, more preferably 20 to 130 g / l and most preferably from 20 to 50 g / l.
- the aqueous Aluminum chloride solution one or more corrosion inhibitors, especially preferably at least one organic corrosion inhibitor selected from consisting of carboxylic acids, amines, alcohols and derivatives thereof Group and / or selected at least one inorganic corrosion inhibitor from that consisting of sulfuric acid, nitric acid and phosphoric acid Group, add.
- aqueous aluminum chloride solution in addition to one or more corrosion inhibitors also one or a plurality of corrosion activators, more preferably at least one metal chloride and most preferably at least one chloride of a metal is selected from the group consisting of iron, copper, nickel and zinc.
- corrosion activators more preferably at least one metal chloride and most preferably at least one chloride of a metal is selected from the group consisting of iron, copper, nickel and zinc.
- the aluminum chloride solution only add corrosion activators.
- the aqueous aluminum chloride solution during the Dissolution of the metallic aluminum and / or aluminum alloy a temperature of 10 to 100 ° C, more preferably 50 to 100 ° C and most preferably from 95 to 100 ° C, adjust.
- the resolution of metallic aluminum and / or aluminum alloy in the aqueous Aluminum chloride solution preferably under inert gas atmosphere and especially preferably carried out under a nitrogen atmosphere.
- a ratio of aluminum (in the form of metallic aluminum and / or an aluminum alloy) to aqueous aluminum chloride solution of from 100 to 5,000 m 2 , more preferably from 250 to 2,000 m 2 and most preferably about 500 m 2 Adjust aluminum per m 3 of solvent.
- the hydrogen produced according to the invention can be known to all those skilled in the art Purposes are used, especially for energy or as a raw material for chemical reactions.
- Another object of the present invention is methods of operation a fuel cell comprising an anode and a cathode.
- Process produced molecular hydrogen through a hydrogen permeable Membrane as fuel directly to the anode of a fuel cell where it oxidizes to hydrogen ions and on entering in the electrolytes with doubly negatively charged ones formed at the cathode Oxygen ions is converted to water.
- the at Operation of the fuel cell formed water to the aqueous aluminum chloride solution recycled.
- Fuel cells which consist of hydrogen and oxygen forming water while generating electrical energy. Usually wise Such fuel cells have a 50 to 70% energy yield and are operated with a voltage of about 0.7 volts. Individual fuel cells are conventionally stacked, so-called. Stacks summarized, wherein the performance of the device is proportional to the number of fuel cells is.
- the present invention relates to a device for generating electrical energy, which in particular for the mobile operation of a fuel cell suitable is.
- the device comprises at least an anode and a cathode having fuel cell, a chamber for receiving metallic aluminum and / or an aluminum alloy and a solvent container for holding an aqueous aluminum chloride solution, wherein the chamber and the solvent container via a lockable conduit are connected together, and, being the chamber and the fuel cell via a hydrogen permeable membrane such connected during operation of the device molecular hydrogen of the chamber is passed through the membrane to the anode of the fuel cell.
- the device shown in FIG. 1 comprises a cylindrical reactor 1 made of steel with a useful volume of about 10 m 3 , which is divided into a chamber 2 for receiving aluminum and / or an aluminum alloy and a solvent chamber 3.
- the reactor is preferably designed as double-walled, with the reactor inner wall particularly preferably made of heat-resistant and corrosion-resistant material, such as ceramic, Teflon , Polypropylene or the like.
- the reactor is preceded by a pre-chamber 4, which has both a solid supply line 5 and a gas supply line 6 for inert gas and is connected to the reactor.
- the reactor 1 has a liquid supply line 7, a liquid circulation line 8 and two product discharge lines 9, 10 for generated hydrogen and polyaluminium chloride, wherein the hydrogen discharge line 9 leads to a condensation chamber 11, a gasometer 12 and an energy converter 13 are connected downstream.
- the feed rates of aluminum or aluminum alloy and of fresh aqueous aluminum chloride solution and the stream of aluminum chloride solution passed through the circulation line 8 are adjusted such that a constant ratio of approximately 500 m 2 of aluminum per m 3 of solvent is established in the reactor chamber 2.
- Formed polyaluminum chloride, which is detected by pH and density measurements, is withdrawn via the product discharge line 10, whereas the generated molecular hydrogen containing traces of water vapor is supplied by the nitrogen flow via the line 9 of the condensation chamber 11, in which water vapor from the hydrogen is separated. This separation is controlled by a moisture meter depending on the desired moisture content of the generated hydrogen gas.
- the hydrogen is then intermediately stored with the aid of a gasometer in order to adapt to the consumption of the downstream energy converter 13, for example a fuel cell or gas turbine.
- the device shown in Fig. 2 comprises in addition to a chamber for aluminum or aluminum alloy 2 and a solvent chamber 3 a conventional fuel cell 13, which has an anode 14 and a cathode 15 includes.
- the fuel cell 13 is separated from the chamber 2 by a hydrogen permeable one Membrane 16 so separated that during operation of the device molecular hydrogen from the chamber 2 through the membrane 16 to the anode 14 of the fuel cell 13 is guided.
- a closure mechanism 17 is provided, via which the supply of aqueous Aluminum chloride solution from the solvent chamber 3 to the chamber 2 can be adjusted.
- a line 18 is guided in the solvent chamber 3.
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von molekularem Wasserstoff unter gleichzeitiger Bildung von Polyaluminiumchlorid, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie umfassend eine Brennstoffzelle.The present invention relates to a process for the production of molecular Hydrogen with simultaneous formation of polyaluminum chloride, a Method for operating a fuel cell and a device for the Generating electrical energy comprising a fuel cell.
Molekularer Wasserstoff wird in einer Vielzahl von chemischen Prozessen, bspw. als Edukt, Reduktionsmittel, Hydrierungsmittel oder dergl., oder als Brennstoff, bspw. in Brennstoffzellen, eingesetzt. Bekannte Verfahren zur Herstellung von molekularem Wasserstoff lassen sich in zwei Gruppen einteilen, nämlich zum einen die chemische Umsetzung von primären wasserstoffhaltigen Energieträgern, wie Methan, Kohle, Raffinerieprodukten und dergl., in Reformierungsverfahren und zum anderen die elektrolytische Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser. Alle zuvor genannten Verfahren sind jedoch, insbesondere was die Herstellung von hochreinem Wasserstoff anbelangt, aufwendig und kostenträchtig. Während dies bei den Verfahren gemäß der erstgenannten Gruppe u.a. darauf zurückzuführen ist, dass der gebildete Wasserstoff durch die bei der Reformierung entstehenden Nebenprodukte zwangsläufig verunreinigt ist und dieser daher in mehreren nachgeschalteten Prozessschritten aufgereinigt werden muss, liegt dies bei den Elektrolyseverfahren in den hohen Betriebskosten für die Elektrolyse und den hohen Investitionskosten der Elektrolysevorrichtungen begründet.Molecular hydrogen is used in a variety of chemical processes, For example, as a starting material, reducing agent, hydrogenating agent or the like., Or as Fuel, for example. In fuel cells used. Known method for the production of molecular hydrogen can be divided into two groups, namely, on the one hand the chemical conversion of primary hydrogen-containing Energy sources, such as methane, coal, refinery products and the like., In reforming process and second, the electrolytic production of hydrogen of water. However, all of the aforementioned methods are, in particular as far as the production of high purity hydrogen is concerned, consuming and costly. While doing so in the methods according to the former Group and others due to the fact that the hydrogen formed by the inevitably contaminated in the reforming by-products and this is therefore purified in several downstream process steps must be, this lies in the electrolysis process in the high operating costs for the electrolysis and the high investment costs of the electrolysis devices founded.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein alternatives Verfahren zur Herstellung von molekularem Wasserstoff bereitzustellen, welches insbesondere die kostengünstige Herstellung von hochreinem Wasserstoff ermöglicht. Object of the present invention is therefore to provide an alternative method for Production of molecular hydrogen to provide, in particular the cost-effective production of high purity hydrogen allows.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch
1 gelöst.According to the invention this object is achieved by a method according to
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung konnte gefunden werden, dass sich molekularer Wasserstoff mit einer befriedigenden Ausbeute und hoher Reinheit durch Auflösen von metallischem Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung in einer wässrigen Aluminiumchloridlösung herstellen lässt, wobei die Ausbeute an Wasserstoff, bezogen auf die eingesetzte Menge an Aluminium, abhängig von den Verfahrensparametern 80 bis 98 % beträgt. Aufgrund der hohen Reinheit des erzeugten molekularen Wasserstoffs kann auf eine nachfolgende kostenintensive Aufreinigung, wie sie bei den nach dem Stand der Technik bekannten Reformierungsverfahren zwingend erforderlich ist, verzichtet werden. Lediglich bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei erhöhten Temperaturen ist der erzeugte Wasserstoff mit Spuren an Wasserdampf verunreinigt, der jedoch auf einfache Weise, bspw. in einer Kondensationskammer, von dem molekularem Wasserstoff abgetrennt werden kann. Der erzeugte Wasserstoff kann nachfolgend für die Energiegewinnung, bspw. in Kombination mit Brennstoffzellen, eingesetzt werden. Zudem wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren neben molekularem Wasserstoff eine Polyaluminiumchloridlösung erhalten, welche ausreichend rein ist, um in der Papierherstellung oder der Wasservorbereitung eingesetzt werden zu können. Bisher wurde Polyaluminiumchlorid entweder durch Druckaufschluss von Aluminiumhydroxid mittels Salzsäure in einem Autoklaven oder durch anodische Auflösung von metallischem Aluminium in Elektrolysezellen hergestellt. Beide Verfahren sind jedoch aufgrund der durch den Druckaufschluss bzw. die Elektrolyse bedingten hohen Betriebskosten kostenaufwendig. Abgesehen von einer kostengünstigen Herstellung von hochreinem molekularem Wasserstoff ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren daher auch eine verglichen mit den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren kostengünstigere Herstellung von Polyaluminiumchlorid. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in dessen Flexibilität, welche darin begründet liegt, dass die erzeugte Wasserstoffmenge allein von der Menge und der Reaktivität des eingesetzten Aluminiums abhängt. Dadurch ist es möglich, die zu erzeugende Wasserstoffmenge je nach Bedarf im Bereich von wenigen Millilitern pro Stunde bis zu mehreren tausend Kubikmetern pro Stunde einzustellen.In the context of the present invention it could be found that molecular hydrogen with a satisfactory yield and high purity by dissolving metallic aluminum and / or an aluminum alloy in an aqueous aluminum chloride solution, the yield to hydrogen, based on the amount of aluminum used of the process parameters is 80 to 98%. Due to the high purity The generated molecular hydrogen can be a subsequent costly Purification as known in the art Reforming process is mandatory, be waived. Only when carrying out the process according to the invention at elevated temperatures the generated hydrogen is contaminated with traces of water vapor, However, in a simple manner, for example. In a condensation chamber, of the molecular hydrogen can be separated. The generated hydrogen can subsequently be used for energy generation, for example in combination with fuel cells, be used. In addition, in the method according to the invention receive a polyaluminum chloride solution in addition to molecular hydrogen, which is sufficiently pure to be used in papermaking or water preparation to be used. So far, polyaluminium chloride has been either by pressure digestion of aluminum hydroxide by means of hydrochloric acid in one Autoclave or by anodic dissolution of metallic aluminum produced in electrolysis cells. Both methods, however, are due to the the pressure digestion or the electrolysis conditional high operating costs costly. Apart from a cost-effective production of high-purity molecular hydrogen allows the process of the invention hence also one compared to those known in the art Process more cost-effective production of polyaluminum chloride. Another Advantage of the method lies in its flexibility, which The reason for this is that the amount of hydrogen produced depends solely on the amount and the reactivity of the aluminum used depends. That's it possible, the amount of hydrogen to be generated as needed in the range of a few milliliters per hour up to several thousand cubic meters per hour adjust.
Prinzipiell können in dem erfindungsgemäßen Verfahren sämtliche Arten an Aluminiumlegierungen und/oder Aluminium in allen Reinheitsgraden, bspw. in Form Spänen, Folien oder dergl., eingesetzt werden. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch erhalten, wenn metallisches Aluminium mit einem Reinheitsgrad von 98 bis 99,99% und/oder eine Aluminiumlegierung mit 0,01 bis 1 g/kg Aluminium an Metallen ausgewählt aus der aus Kupfer, Eisen, Silizium, Mangan, Magnesium, Nickel, Zink und Kombinationen hiervon bestehenden Gruppe eingesetzt wird.In principle, all types can be used in the method according to the invention Aluminum alloys and / or aluminum in all degrees of purity, eg in Shavings, films or the like., Can be used. Especially good results however, are obtained when metallic aluminum with a degree of purity from 98 to 99.99% and / or an aluminum alloy at 0.01 to 1 g / kg Aluminum in metals selected from among copper, iron, silicon, manganese, Magnesium, nickel, zinc and combinations thereof is used.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das metallische Aluminium und/oder die Aluminiumlegierung vor dem Einbringen in die wässrige Aluminiumchloridlösung einem chemischen und/oder elektrochemischen Ätzprozess unterworfen, um dessen Oberfläche aufzurauen. Besonders bevorzugt weist die Oberfläche des in die wässrige Aluminiumchloridlösung eingebrachten Aluminiums bzw. der Aluminiumlegierung Tunnelstrukturen mit einem Durchmesser von weniger als 2 µm und ganz besonders von bevorzugt weniger als 100 nm auf. Alternativ dazu ist es, wenn auch weniger bevorzugt, möglich, Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung mit glatter oder leicht aufgerauter Oberfläche einzusetzen.According to a particular embodiment of the present invention, the metallic aluminum and / or the aluminum alloy prior to insertion into the aqueous aluminum chloride solution a chemical and / or electrochemical Subjected to etching process to roughen its surface. Especially Preferably, the surface of the in the aqueous aluminum chloride solution introduced aluminum or aluminum alloy tunnel structures with a diameter of less than 2 microns, and most preferred less than 100 nm. Alternatively, it is, albeit less preferred, possible, aluminum or an aluminum alloy with a smooth or slightly roughened Surface to use.
Um etwaig in dem Ausgangsmaterial eingeschlossene Luft zu entfernen, wird das metallische Aluminium und/oder die Aluminiumlegierung vorzugsweise vor dem Einbringen in die wässrige Aluminiumchloridlösung mit einer Inertgasatmosphäre, bspw. Stickstoff, Argon oder dergl., gespült. In order to remove any trapped air in the starting material is Preferably, the metallic aluminum and / or the aluminum alloy the introduction into the aqueous aluminum chloride solution with an inert gas atmosphere, For example, nitrogen, argon or the like., Rinsed.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich gezeigt, dass besonders gute Ergebnisse im Hinblick auf Ausbeute erhalten werden, wenn die eingesetzte wässrige Aluminiumchloridlösung einen Gehalt an Aluminiumchlorid von 1 bis 400 g/l, besonders bevorzugt 20 bis 130 g/l und ganz besonders bevorzugt von 20 bis 50 g/l aufweist.In the context of the present invention, it has been found that particularly good Results are obtained in terms of yield, if used aqueous aluminum chloride solution has a content of aluminum chloride of 1 to 400 g / l, more preferably 20 to 130 g / l and most preferably from 20 to 50 g / l.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, der wässrigen Aluminiumchloridlösung ein oder mehrere Korrosionsinhibitoren, besonders bevorzugt wenigstens einen organischen Korrosionsinhibitor ausgewählt aus der aus Carbonsäuren, Aminen, Alkoholen sowie deren Derivaten bestehenden Gruppe und/oder wenigstens einen anorganischen Korrosionsinhibitor ausgewählt aus der aus Schwefelsäure, Salpetersäure und Phosphorsäure bestehenden Gruppe, zuzusetzen.In a further development of the inventive concept, it is proposed that the aqueous Aluminum chloride solution one or more corrosion inhibitors, especially preferably at least one organic corrosion inhibitor selected from consisting of carboxylic acids, amines, alcohols and derivatives thereof Group and / or selected at least one inorganic corrosion inhibitor from that consisting of sulfuric acid, nitric acid and phosphoric acid Group, add.
Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die wässrige Aluminiumchloridlösung neben einem oder mehreren Korrosionsinhibitoren auch ein oder mehrere Korrosionsaktivatoren, besonders bevorzugt wenigstens ein Metallchlorid und ganz besonders bevorzugt wenigstens ein Chlorid eines Metalls ausgewählt aus der aus Eisen, Kupfer, Nickel und Zink bestehenden Gruppe, enthält. Es ist jedoch, wenn auch weniger bevorzugt, möglich, der Aluminiumchloridlösung nur Korrosionsaktivatoren zuzufügen.Particularly good results are achieved when the aqueous aluminum chloride solution in addition to one or more corrosion inhibitors also one or a plurality of corrosion activators, more preferably at least one metal chloride and most preferably at least one chloride of a metal is selected from the group consisting of iron, copper, nickel and zinc. However, it is possible, albeit less preferred, for the aluminum chloride solution only add corrosion activators.
Um eine hohe Ausbeute an molekularem Wasserstoff, bezogen auf die Menge an eingesetztem Aluminium, zu erhalten, wird in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, die wässrige Aluminiumchloridlösung während der Auflösung des metallischen Aluminiums und/oder der Aluminiumlegierung auf eine Temperatur von 10 bis 100°C, besonders bevorzugt von 50 bis 100°C und ganz besonders bevorzugt von 95 bis 100°C, einzustellen. To a high yield of molecular hydrogen, based on the amount to get used aluminum, is in development of the inventive concept proposed, the aqueous aluminum chloride solution during the Dissolution of the metallic aluminum and / or aluminum alloy a temperature of 10 to 100 ° C, more preferably 50 to 100 ° C and most preferably from 95 to 100 ° C, adjust.
Zwecks Vermeidung unerwünschter Oxidationsreaktionen wird die Auflösung des metallischen Aluminiums und/oder der Aluminiumlegierung in der wässrigen Aluminiumchloridlösung vorzugsweise unter Inertgasatmosphäre und besonders bevorzugt unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt.In order to avoid unwanted oxidation reactions, the resolution of metallic aluminum and / or aluminum alloy in the aqueous Aluminum chloride solution preferably under inert gas atmosphere and especially preferably carried out under a nitrogen atmosphere.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, ein Verhältnis von Aluminium (in Form von metallischem Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung) zu wässriger Aluminiumchloridlösung von 100 bis 5.000 m2, besonders bevorzugt von 250 bis 2.000 m2 und ganz besonders bevorzugt von etwa 500 m2 Aluminium pro m3 Lösungsmittel einzustellen.In a further development of the inventive concept, it is proposed to have a ratio of aluminum (in the form of metallic aluminum and / or an aluminum alloy) to aqueous aluminum chloride solution of from 100 to 5,000 m 2 , more preferably from 250 to 2,000 m 2 and most preferably about 500 m 2 Adjust aluminum per m 3 of solvent.
Insbesondere bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im industriellen Maßstab hat es sich eine kontinuierliche Verfahrensführung als vorteilhaft erwiesen. Diese kann bspw. in der Weise erfolgen, dass die wässrige Aluminiumchloridlösung im Kreislauf durch eine Packung aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung geführt wird und die gasförmige Reaktionsprodukte durch Einleitung von molekularem Stickstoff mit einem Überdruck aus der Reaktionskammer entfernt und Polyaluminiumchlorid kontinuierlich oder diskontinuierlich aus der Reaktionsmischung abgezogen wird.In particular when carrying out the process according to the invention in the industrial Scale, it has a continuous process management advantageous proved. This can be done, for example, in such a way that the aqueous aluminum chloride solution in the circuit by a pack of aluminum and / or an aluminum alloy and the gaseous reaction products by introducing molecular nitrogen with an overpressure from the reaction chamber removed and polyaluminium chloride continuously or discontinuously is withdrawn from the reaction mixture.
Der erfindungsgemäß erzeugte Wasserstoff kann für alle dem Fachmann bekannten Zwecke eingesetzt werden, insbesondere für die Energiegewinnung oder als Rohstoff für chemische Reaktionen.The hydrogen produced according to the invention can be known to all those skilled in the art Purposes are used, especially for energy or as a raw material for chemical reactions.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist Verfahren zum Betreiben einer eine Anode und eine Kathode umfassenden Brennstoffzelle. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mit dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter molekularer Wasserstoff durch eine wasserstoffdurchlässige Membran als Brennstoff unmittelbar zu der Anode einer Brennstoffzelle geleitet wird, wo dieser zu Wasserstoffionen oxidiert und nach Eintreten in den Elektrolyten mit an der Kathode gebildeten zweifach negativ geladenen Sauerstoffionen zu Wasser umgesetzt wird. Vorzugsweise wird das beim Betrieb der Brennstoffzelle gebildete Wasser zu der wässrigen Aluminiumchloridlösung zurückgeführt.Another object of the present invention is methods of operation a fuel cell comprising an anode and a cathode. According to the invention is provided that with the invention described above Process produced molecular hydrogen through a hydrogen permeable Membrane as fuel directly to the anode of a fuel cell where it oxidizes to hydrogen ions and on entering in the electrolytes with doubly negatively charged ones formed at the cathode Oxygen ions is converted to water. Preferably, the at Operation of the fuel cell formed water to the aqueous aluminum chloride solution recycled.
Für das erfindungsgemäße Verfahren können alle dem Fachmann bekannten Brennstoffzellen eingesetzt werden, welche aus Wasserstoff und Sauerstoff unter Generierung von elektrischer Energie Wasser bilden. Üblicherweise weisen derartige Brennstoffzellen eine 50 bis 70%ige Energieausbeute auf und werden mit einer Spannung von ca. 0,7 Volt betrieben. Einzelne Brennstoffzellen sind dabei herkömmlicherweise zu Stapeln, sog. stacks, zusammengefasst, wobei die Leistung der Vorrichtung proportional zu der Anzahl der Brennstoffzellen ist.For the process according to the invention, all known to those skilled in the art Fuel cells are used, which consist of hydrogen and oxygen forming water while generating electrical energy. Usually wise Such fuel cells have a 50 to 70% energy yield and are operated with a voltage of about 0.7 volts. Individual fuel cells are conventionally stacked, so-called. Stacks summarized, wherein the performance of the device is proportional to the number of fuel cells is.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie, welche insbesondere zum mobilen Betrieb einer Brennstoffzelle geeignet ist. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung wenigstens eine eine Anode und eine Kathode aufweisende Brennstoffzelle, eine Kammer zur Aufnahme von metallischem Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung sowie einen Lösungsmittelbehälter zur Aufnahme einer wässrigen Aluminiumchloridlösung, wobei die Kammer und der Lösungsmittelbehälter über eine verschließbare Leitung miteinander verbunden sind, und, wobei die Kammer und die Brennstoffzelle über eine wasserstoffdurchlässige Membran derart verbunden sind, dass beim Betrieb der Vorrichtung molekularer Wasserstoff von der Kammer durch die Membran zur Anode der Brennstoffzelle geführt wird.Moreover, the present invention relates to a device for generating electrical energy, which in particular for the mobile operation of a fuel cell suitable is. According to the invention, the device comprises at least an anode and a cathode having fuel cell, a chamber for receiving metallic aluminum and / or an aluminum alloy and a solvent container for holding an aqueous aluminum chloride solution, wherein the chamber and the solvent container via a lockable conduit are connected together, and, being the chamber and the fuel cell via a hydrogen permeable membrane such connected during operation of the device molecular hydrogen of the chamber is passed through the membrane to the anode of the fuel cell.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. The invention will be described below with reference to embodiments and the Drawing explained in more detail. All are described and / or illustrated features illustrated the subject of the invention, regardless of their Summary in the claims or their dependency.
Es zeigen:
- Fig. 1
- ein Prozessdiagramm eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, und
- Fig. 2
- ein Prozessdiagramm eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie für einen mobilen Einsatz einer Brennstoffzelle gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
- Fig. 1
- a process diagram of a method and an apparatus for producing hydrogen according to an embodiment of the present invention, and
- Fig. 2
- a process diagram of a method and apparatus for generating electrical energy for mobile use of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfasst einen zylinderförmigen Reaktor
1 aus Stahl mit einem Nutzvolumen von etwa 10 m3, welcher in eine Kammer
2 zur Aufnahme von Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung sowie eine
Lösungsmittelkammer 3 unterteilt ist. Um eine Verfahrensdurchführung bei
erhöhten Temperaturen, bspw. bei 100°C, auch ohne Zusatz an Korrosionsaktivatoren
mit einer Außenheizung zu ermöglichen, ist der Reaktor vorzugsweise
doppelwandig ausgestaltet, wobei die Reaktorinnenwand besonders bevorzugt
aus hitze- und korrosionsbeständigem Material, wie bspw. Keramik, Teflon,
Polypropylen oder dergl., besteht. Dem Reaktor ist eine Vorkammer 4 vorgeschaltet,
welche sowohl über eine Feststoffzufuhrleitung 5 als auch eine Gaszufuhrleitung
6 für Inertgas verfügt und mit dem Reaktor verbunden ist. Zudem
weist der Reaktor 1 eine Flüssigkeitszufuhrleitung 7, eine Flüssigkeitskreislaufleitung
8 sowie zwei Produktabfuhrleitungen 9, 10 für erzeugten Wasserstoff
und Polyaluminiumchlorid auf, wobei die Wasserstoffabfuhrleitung 9 zu einer
Kondensationskammer 11 führt, der ein Gasometer 12 und ein Energieumwandler
13 nachgeschaltet sind. The device shown in FIG. 1 comprises a
Zum Betrieb der zuvor beschriebenen Vorrichtung wird zunächst Aluminium
und/oder eine Aluminiumlegierung in Form von Spänen oder Folien über die
Leitung 5 in die Vorkammer 4 geleitet, dort mit Überdruck über Leitung 6 zugeführtem
Inertgas, bevorzugt Stickstoff, gespült, um etwaige in dem Ausgangsmaterial
eingeschlossene Luft zu entfernen, bevor das Aluminium und/oder die
Aluminiumlegierung in die Reaktorkammer 2 weitergefördert wird. Über die
Flüssigkeitszufuhrleitung 7 wird dem Reaktor 1 ständig frische wässrige Aluminiumchloridlösung
zugeführt und mit bereits durch die Reaktorkammer 2 geführter
wässriger Aluminiumchloridlösung in der Lösungsmittelkammer 3 vermischt,
wonach diese Mischung über die Flüssigkeitskreislaufleitung 8 erneut der Aluminium
enthaltenden Reaktorkammer 2 zugeführt wird. Die Zufuhrraten an
Aluminium bzw. Aluminiumlegierung sowie an frischer wässriger Aluminiumchloridlösung
und der durch die Kreislaufleitung 8 geführte Strom an Aluminiumchloridlösung
werden dabei derart eingestellt, dass sich in der Reaktorkammer 2 ein
konstantes Verhältnis von ca. 500 m2 Aluminium pro m3 Lösungsmittel einstellt.
Gebildetes Polyaluminiumchlorid, welches mittels pH- und Dichtemessungen
detektiert wird, wird über die Produktabfuhrleitung 10 abgezogen, wohingegen
der erzeugte molekulare Wasserstoff, welcher Spuren an Wasserdampf enthält,
durch den Stickstoffstrom über die Leitung 9 der Kondensationskammer 11
zugeführt wird, in welcher Wasserdampf von dem Wasserstoff abgetrennt wird.
Diese Trennung wird durch einen Feuchtigkeitsmesser je nach dem gewünschten
Feuchtigkeitsgehalt des erzeugten Wasserstoffgases gesteuert. Der Wasserstoff
wird dann mit Hilfe eines Gasometers zwischengespeichert, um sich
dem Verbrauch des nachgeschalteten Energieumwandlers 13, bspw. einer
Brennstoffzelle oder Gasturbine, anzupassen.For the operation of the apparatus described above, aluminum and / or an aluminum alloy in the form of chips or foils is first passed via the
In dem oben beschriebenen Reaktor können ca. 500 m3 Wasserstoff pro Stunde erzeugt und mit den aktuellen Effizienzdaten mit einer Leistung von 500 kW in elektrische Energie umgewandelt werden. In the reactor described above about 500 m 3 of hydrogen per hour can be generated and converted with the current efficiency data with a capacity of 500 kW in electrical energy.
Die in der Fig. 2 dargestellte Vorrichtung umfasst neben einer Kammer für Aluminium
bzw. Aluminiumlegierung 2 sowie einer Lösungsmittelkammer 3 eine
herkömmliche Brennstoffzelle 13, welche eine Anode 14 sowie eine Kathode 15
umfasst. Die Brennstoffzelle 13 ist von der Kammer 2 durch eine wasserstoffdurchlässige
Membran 16 derart getrennt, dass beim Betrieb der Vorrichtung
molekularer Wasserstoff von der Kammer 2 durch die Membran 16 zur Anode
14 der Brennstoffzelle 13 geführt wird. Um die Wasserstoffentwicklung zum
gewünschten Zeitpunkt aufnehmen oder beenden zu können, ist zwischen der
Lösungsmittelkammer 3 und der Kammer 2 für Aluminium bzw. Aluminiumlegierung
ein Verschlussmechanismus 17 vorgesehen, über den die Zufuhr an wässriger
Aluminiumchloridlösung von der Lösungsmittelkammer 3 zu der Kammer 2
eingestellt werden kann. In der Brennstoffzelle 13 gebildetes Wasser wird über
eine Leitung 18 in die Lösungsmittelkammer 3 geführt.The device shown in Fig. 2 comprises in addition to a chamber for aluminum
or
Mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung können bspw. bei einem Reaktorvolumen
von 50 ml und 10 g Aluminium ca. 20 Wh Energie erzeugt werden, wenn
die Brennstoffzelle 13 eine 60%-ige Effizienz aufweist. With the device described above, for example, at a reactor volume
of 50 ml and 10 g of aluminum about 20 Wh of energy are generated when
the
- 11
- Reaktorreactor
- 22
- (Reaktor)kammer für Aluminium(Reactor) chamber for aluminum
- 33
- LösungsmittelkammerSolvent chamber
- 44
- Vorkammerantechamber
- 55
- Feststoffzufuhrleitung für AluminiumSolid feed line for aluminum
- 66
- Gaszufuhrleitung für InertgasGas supply line for inert gas
- 77
- FlüssigkeitszufuhrleitungLiquid supply line
- 88th
- FlüssigkeitskreislaufleitungLiquid circulation line
- 99
- Produktabfuhrleitung für WasserstoffProduct discharge line for hydrogen
- 1010
- Produktabfuhrleitung für PolyaluminiumchloridProduct discharge line for polyaluminum chloride
- 1111
- Kondensationskammercondensation chamber
- 1212
- Gasometergasometer
- 1313
- Energieumwandler/BrennstoffzellePower converter / fuel cell
- 1414
- Anodeanode
- 1515
- Kathodecathode
- 1616
- Membranmembrane
- 1717
- Verschlussmechanismuslocking mechanism
- 1818
- WasserrückführleitungWater return line
Claims (16)
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EP04012381A EP1600422A1 (en) | 2004-05-26 | 2004-05-26 | Process for the preparation of molecular hydrogen and polyaluminium chloride |
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EP04012381A EP1600422A1 (en) | 2004-05-26 | 2004-05-26 | Process for the preparation of molecular hydrogen and polyaluminium chloride |
Publications (1)
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EP1600422A1 true EP1600422A1 (en) | 2005-11-30 |
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ID=34925124
Family Applications (1)
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EP04012381A Withdrawn EP1600422A1 (en) | 2004-05-26 | 2004-05-26 | Process for the preparation of molecular hydrogen and polyaluminium chloride |
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EP (1) | EP1600422A1 (en) |
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